李漭研，胡红明，徐健平，潘锡斌，王昊

基于云技术和SSH反向隧道技术的视频监控机器人设计＊

李漭研，胡红明，徐健平，潘锡斌，王昊

（武汉理工大学 自动化学院，湖北 武汉 430070）

以树莓派为控制和通讯核心，融合云技术和嵌入式技术，设计了一套基于互联网的远程实时监控机器人系统。系统使用云服务器作为中转，通过SSH反向隧道技术，实现了移动端和监控机器人的跨局域网通讯。设计中控制指令和视频数据分别采用TCP和UDP协议进行实时传输。经测试，此系统能够满足用户随时随地远程控制机器人，并观看实时监控视频的需求，有较广泛的应用前景。

云服务器；SSH反向隧道；远程视频传输；监控机器人

1 引言

为此，本文设计了一套基于互联网远程视频监控的机器人系统，实现了远程控制、视频传输同智能手机的结合，使用户无论身在何处，只要能够联网，就可以通过手机实时获取和观看机器人采集的监控视频，并可向监控机器人发送指令，自由操控其移动以随心调节监控视角。

2 系统方案设计

为对监控机器人实现跨局域网的运动控制和实时视频传输，本系统主要包括视频采集模块、运动控制模块、数据通讯网络、云服务器和移动终端几部分。

安装在机器人上的运动控制模块以树莓派为控制和通讯核心，摄像头拍摄的视频和传感器采集的数据，均上传至树莓派，通过互联网传输至移动终端；移动端发来的指令也经由树莓派，下发至Arduino控制器，驱动机器人的电机以控制其移动。

移动端连接互联网后，用户通过APP可调取和查看监控机器人发送来的实时视频和各类监测数据，同时也可通过操纵屏幕上的虚拟摇杆，向机器人远程发送控制命令，使其向目标位置移动，进而调整监控范围。系统总体设计如图1所示。

图1 系统总体设计示意图

3 系统硬件设计

监控机器人硬件系统主要由树莓派控制板、Arduino控制器、摄像头、L298N电机驱动模块和移动主体模块（含底盘、车轮、电机和电池组等）构成。树莓派控制板在其中起着核心作用，一方面通过配置的开源软件motion控制视频的采集和处理；另一方面主动建立与云服务器的远程连接，是通讯的桥梁。Arduino控制器分别连接电机驱动模块、传感器和云台的步进电机，同时通过USB转串口与树莓派相连，将树莓派传送来的控制指令发送给电机驱动模块和步进电机，并将传感器检测的数据发回树莓派。系统硬件结构组成如图2所示。

图2 监控机器人硬件系统组成

3.1 树莓派控制板

本系统使用开源硬件Raspberry Pi 3B+作为数据处理和控制的核心平台，其配备一枚Broadcom出产的ARM架构1.4 GHz BCM2837B0处理器，1 GB内存，使用SD卡作为存储媒体，运行基于Linux的Debian系统，支持使用Python语言进行软件开发，且拥有一个Ethernet、4个USB接口、HDMI（支持声音输出）和RCA端子输出支持，具有运行速度快、开放性高、小巧轻便和价格低廉的优点。树莓派控制板与其他硬件连接关系如图3所示。

图3 树莓派与周围硬件连接关系

3.2 Arduino微控制器

本系统使用Arduino mega2560微控制器，其核心是ATmega2560，同时具有54路数字输入/输出口（其中16路可作为PWM输出），16路模拟输入，4路UART接口，1个16 MHz晶体振荡器，1个USB口，1个电源插座，1个ICSP header和1个复位按钮。

Arduino还能通过各种传感器来感知环境，板子上的微控制器可通过Arduino的编程语言来编写程序，编译成二进制文件，烧录进微控制器。对Arduino的编程是通过Arduino编程语言（基于Wiring）和Arduino开发环境（基于Processing）实现的。

房产测绘工作的技术性较高，具有效率快、质量高等特点，并且房产测绘过程主要依赖于强大的计算机系统，并综合其他科学技术，形成完整的房产动态管理系统，便于管理者对测绘数据进行分类管理。

3.3 视频图像采集模块

本系统选用免驱动USB网络摄像头Logitech C670i作为视频采集模块的主体，其支持Linux操作系统，此外在摄像头底部加装由28BYJ-48减速步进电机和限位装置构成的云台，通过调节云台可灵活改变拍摄视角。

3.4 电机驱动模块

本系统采用L298N模块对4个直流电机进行驱动，进而实现机器人的运动。L298N直流驱动器是一种双H桥电路，采用15引脚封装，供电电压为5～35 V，可同时驱动多个直流电机。模块上具有使能端EN和方向端IN1、IN2，通过改变使能端和方向端的逻辑电平，可以分别控制直流电机的转速和转向。

系统的总体硬件实物如图4所示。

4 通讯方案设计

如何实现远程移动端与机器人间的通讯是整个系统设计的难点。由于目前互联网的IP地址划分主要还是基于IPv4协议，IPv4中规定IP地址长度为32，但随着互联网的普及，IP地址已逐渐短缺。对于一般的局域网络，运营商没有足够的公网IPv4地址分配，因此需使用NAT转换技术，将一个公网IPv4映射为多个私网IPv4，内网设备分配到的并不是真正的公网IP地址，移动端也就无法通过IP地址直接与这些设备通讯。

图4 系统的总体硬件实物

针对这种问题，本文提出一种以中继服务器作为跳板，使双方在没有公网IP的条件下得以互联通讯的方案。通讯方案如图5所示。

图5 系统通讯方案设计示意图

4.1 连接的建立

由于监控机器人处在局域网环境下，没有公网IP，位于外网的移动端无法直接建立与监控机器人的通讯连接。为此本系统配置了一台位于公网的云服务器作为中转，让监控机器人主动连接云服务器，建立永久的SSH反向隧道以实现连接。搭建SSH反向隧道的关键技术是端口转发，通过这种技术，云服务器可将外部移动端的请求转发到局域网内部IP地址上的一个端口，并可以将监控机器人拍摄的视频数据送回移动端。

树莓派使用OpenSSH软件登陆云服务器，之后将自身的PORT_2端口与云服务器的PORT_1端口绑定，用于监听本地端口。该过程涉及的指令在树莓派上写成脚本，只要系统通电，就自动建立起SSH反向隧道。接着通过端口转发，可将树莓派上的某个端口A映射到云服务器上的端口B，此后发往端口B的所有数据能被云服务器转发到端口A，这样就实现了监控机器人和云服务器之间的连接。

4.2 指令传输

移动端发往树莓派的控制指令由字符串形式组成，为确保指令频繁传送的可靠性，本系统采用TCP通信方式。而实现TCP通讯的前提是通过socket编程建立的客户端和树莓派之间的TCP连接。首先在树莓派上部署TCP服务端，监听之前与云端远程绑定端口PORT_2；移动端加入socket客户端，请求与云服务器的PORT_1端口建立连接；此后云服务器将全部流量转发至树莓派。这样通过三次握手，移动端便与树莓派建立了TCP连接。

连接一旦建立，移动端可直接向树莓派发送指令，树莓派接收到指令后通过echo命令将其写入/dev/ttyUSB0或dev/ttyUSB1文件，运动指令经USB转串口下发至Arduino控制器，驱动监控机器人的电机。

4.3 视频传输

为保证用户能实时获取和观看监控视频，本系统采用基于无连接的UDP协议用于视频传输，该方式优点为数据传输的效率高、时延小。

部署在机器人上的摄像头采集视频，视频数据经USB传输给树莓派，并以图片形式暂存于系统的用户目录下。通过搭建本地服务器，将视频以H264视频流格式传出，传输过程使用socat软件，采用UDP协议将视频流发送到云服务器的PORT_4端口；此外还需在移动端进行远程端口转发操作，将移动端的端口PORT_3和云服务器的端口PORT_4绑定。至此，移动端可随时通过访问相关网页获取监控视频，对其进行解码和播放。

5 系统测试

5.1 系统使用流程

给系统上电，待系统运行稳定后，启动手机移动端APP进入启动页面，1 s后自动进入登录界面，输入用户名密码，系统进行信息匹配，密码正确才能进入主界面。此后APP自动加载并显示监控视频，点击开关按钮连接到服务器，拨动虚拟摇杆即可给机器人发送相应的命令，远程操控机器人移动。移动端APP运行主界面如图6所示。

图6 移动端APP运行主界面

5.2 视频传输时延测试

为了验证方案的可行性，分别在4G网络和Wi-Fi环境下对视频传输延迟进行了测试。使用同一台Android手机安装APP，将机器人的摄像头对准秒表，监控视频传输至手机，比对现实和视频中的秒表读数得出传输的延迟时间。

拍摄的视频以320×240的分辨率存储和传输，测得的数据如表1所示。

表1 监控视频传输时延测试数据

网络环境测试次数延迟时间/ms平均值/ms 4G1395438 2462 3457 Wi-Fi1364367.7 2392 3347

测试结果表明，设计方案切实有效，成功实现了不同局域网内设备间的互联通讯，且监控视频流畅清晰，延迟在可接受的范围内。

6 结语

使用云服务器作为中转，监控机器人通过SSH反向隧道与云服务器连接，移动端通过互联网与云服务器绑定，实现了移动端和监控机器人的跨局域网远程通讯。机器人搭载的树莓派为核心硬件平台，起到控制视频图像采集和传输指令的作用。本系统满足了外网或异局域网用户远程控制机器人，观看实时监控视频的需求，具有传输速度快、可靠性高、实时性强、成本低的优点，且可进行二次开发，在各领域有广泛的运用前景。

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TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.01.016

2095－6835（2020）01－0054－03

国家级大学生创新创业训练计划资助（编号：201910497160）

李漭研（2000—），女，山西运城人，本科在读，研究方向为物联网。胡红明（1978—），博士，副教授。

〔编辑：严丽琴〕